§ 21. Керування хімічними реакціями

• До змісту відповідей

ДІЗНАЄТЕСЯ, ЗРОЗУМІЄТЕ, ВИКОРИСТАЄТЕ

Які чинники впливають на перебіг хімічної реакції?

На перебіг хімічної реакції впливають природа реагуючих речовин (їхня хімічна активність), концентрація реагентів, температура, тиск (для газів), площа поверхні контакту (ступінь подрібнення для твердих речовин), а також наявність каталізаторів або інгібіторів.

Як змінюється швидкість реакції залежно від умов її здійснення?

Швидкість реакції зростає за умови збільшення концентрації реагентів, підвищення температури або підвищення тиску (для газуватих речовин). Також реакція пришвидшується за наявності каталізатора. Інгібітори, навпаки, уповільнюють хімічний процес.

У чому полягає керування хімічними перетвореннями речовин?

Керування полягає у доборі оптимальних умов проведення реакції (температури, тиску, концентрації, використання каталізаторів) для пришвидшення корисних перетворень, отримання максимального виходу продукту або гальмування небажаних процесів (наприклад, корозії).

Який метал швидше кородує — залізо чи срібло? Чому?

Залізо ($Fe$) кородує значно швидше за срібло ($Ag$). Це пояснюється тим, що залізо є хімічно активнішим металом (розміщене лівіше в ряду активності металів), тоді як срібло належить до благородних металів і є стійким до окиснення киснем та дії вологи за звичайних умов.

В одну пробірку до шматка крейди додали оцет об’ємом 5 мл, а в другу пробірку до такого самого шматка крейди додали оцтову есенцію об’ємом 5 мл. У якій пробірці зафіксуємо швидше виділення вуглекислого газу?

Виділення вуглекислого газу ($CO_2$) відбуватиметься інтенсивніше у другій пробірці з оцтовою есенцією. Причина в тому, що концентрація оцтової кислоти ($CH_3COOH$) в есенції значно вища (близько 70–80%), ніж у столовому оцті (9%). Згідно із законом діючих мас, зі збільшенням концентрації реагентів швидкість реакції зростає.

Чи змінюватиметься з часом швидкість реакції між розчиненими речовинами чи між газами?

Так, швидкість реакції з часом зменшуватиметься. У процесі реакції реагенти витрачаються, їхня концентрація падає, тому кількість ефективних зіткнень між частинками зменшується.

Коли свіже молоко швидше скисає — восени чи влітку?

Свіже молоко швидше скисає влітку. Це зумовлено вищою температурою навколишнього середовища, яка пришвидшує біохімічні реакції бродіння, що спричиняються молочнокислими бактеріями.

Як забезпечите перебіг реакції з потрібною швидкістю, використовуючи прилад, зображений на малюнку 53?

Потрібну швидкість реакції можна забезпечити, регулюючи швидкість подачі рідкого реагенту з крапельної лійку у колбу. Це дозволяє контролювати концентрацію речовин у реакційній суміші та, відповідно, інтенсивність виділення газу чи утворення продукту.

ВИОКРЕМЛЮЄМО ОСНОВНЕ

Проаналізувавши матеріал, викладений у параграфі, запишіть у зошиті висновки про швидкість хімічної реакції, залежність її від різних чинників, а також про необхідність керування хімічними реакціями.

Швидкість хімічної реакції — це фізична величина, що характеризує зміну кількості речовини реагентів або продуктів за одиницю часу в одиниці об’єму (для гомогенних реакцій) або на одиниці площі поверхні (для гетерогенних). Вона залежить від:

1. Природи речовин.
2. Концентрації реагентів.
3. Температури.
4. Тиску (для газів).
5. Ступеня подрібнення (для твердих тіл).
6. Наявності каталізатора.

Керування цими чинниками необхідне для оптимізації виробничих процесів, запобігання аваріям, захисту металів від корозії та подовження терміну зберігання харчових продуктів.

Сформулюйте цікаве запитання за темою параграфа і поставте його своїм однокласникам / однокласницям. Порівняйте свою і їхні відповіді та оцініть їх.

Запитання: Чому в автомобільних каталітичних нейтралізаторах використовують дорогі метали (платину, паладій), а не просто підвищують температуру двигуна для допалювання шкідливих газів?
Відповідь: Каталізатори дозволяють реакціям знешкодження токсичних газів ($CO$, $NO_x$) відбуватися дуже швидко за відносно низьких температур вихлопу. Просте підвищення температури могло б пошкодити двигун і призвести до утворення інших шкідливих сполук (наприклад, додаткових оксидів Нітрогену).

ПЕРЕВІР СЕБЕ

222. Наведіть приклади хімічних реакцій у природі, які відбуваються: а) дуже повільно; б) з помітною швидкістю.

а) Дуже повільно: утворення корисних копалин (вугілля, нафти), ріст сталактитів у печерах, вивітрювання гірських порід.
б) З помітною швидкістю: горіння лісу під час пожежі, гниття опалого листя, скисання фруктового соку в теплі.

223. Від яких чинників залежить швидкість хімічної реакції і як саме?

• Природа речовин: активніші речовини (наприклад, лужні метали) реагують швидше.
• Концентрація: чим вища концентрація, тим більша швидкість (більше зіткнень частинок).
• Температура: підвищення температури збільшує кінетичну енергію частинок, що суттєво пришвидшує реакцію.
• Площа поверхні контакту: подрібнення твердих речовин прискорює гетерогенні реакції.
• Каталізатор: речовина, що пришвидшує реакцію, знижуючи енергію активації.

224. Наведіть приклади хімічних реакцій, з якими ви стикаєтеся в побуті і швидкість яких різна.

• Миттєві: горіння газу в пальнику, спалахування сірника.
• Швидкі: дія оцту на соду ($NaHCO_3 + CH_3COOH$), згортання білка при варінні яйця.
• Повільні: утворення накипу в чайнику, іржавіння залізних інструментів, бродіння тіста.

ПОМІРКУЙМО

225. Назвіть чинники, що впливають на швидкість реакції між газами $2NO + O_2 = 2NO_2$, яка відбувається за стандартних умов без каталізатора.

На швидкість цієї реакції впливають:

1. Концентрація газів $NO$ та $O_2$.
2. Тиск у системі (підвищення тиску збільшує концентрацію газів).
3. Температура суміші.

226. Жири окиснюються в лабораторних умовах, якщо їх нагрівати, а в організмі людини — за температури тіла. Яка, на ваш погляд, причина такої відмінності?

Причиною є наявність в організмі людини ферментів (ензимів) — біологічних каталізаторів. Вони дозволяють хімічним реакціям окиснення проходити з високою швидкістю за м’яких умов (температура тіла $36.6^\circ\text{C}$), знижуючи енергетичний бар’єр реакції. У лабораторії без каталізатора для цього потрібне значне нагрівання.

У КОМАНДІ

227. Чому для приготування овочевих страв часто використовують пароварку замість сковорідки?

Пароварку використовують для делікатнішої термічної обробки. Температура пари не перевищує $100^\circ\text{C}$, тоді як смаження на олії відбувається за значно вищих температур ($150\text{--}180^\circ\text{C}$). Нижча температура та відсутність контакту з розпеченою поверхнею дозволяють зберегти більше вітамінів і запобігти утворенню шкідливих продуктів термічного розкладу (піролізу).

228. Для приготування багатьох страв рекомендують певні інтервали значень температури. Чому багато людей обирають найнижчу температуру в цьому інтервалі?

Вибір нижньої межі температурного інтервалу дозволяє краще контролювати процес приготування. Це забезпечує рівномірне прогрівання продукту, запобігає підгорянню зовні при сирості всередині та дозволяє уникнути небажаних хімічних реакцій, що псують смак.

229. Чому компот з ягід доцільно варити 15 хв, а не 30 чи 40 хв?

Варіння протягом 15 хвилин є достатнім для екстракції смакових речовин та пігментів у воду (дифузії). Триваліше кип’ятіння (30–40 хв) призводить до руйнування термічно нестійких вітамінів (зокрема вітаміну С) та розварювання ягід внаслідок гідролізу пектинових речовин, що погіршує якість напою.

АНАЛІЗУЙМО

230. Як можна уповільнити процес горіння; пришвидшити його; зупинити?

• Уповільнити: обмежити доступ кисню (прикрити заслінку в печі), знизити температуру, використовувати менш подрібнене паливо.
• Пришвидшити: збільшити подачу кисню (піддув), подрібнити паливо (збільшити площу контакту).
• Зупинити: повністю перекрити доступ кисню (накрити цупкою тканиною, піною), охолодити зону горіння нижче температури займання (вода), прибрати горючу речовину.

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

231. Випишіть ключові слова і словосполучення з тексту параграфа для укладання двомовного словничка.

• Швидкість хімічної реакції — reaction rate
• Концентрація — concentration
• Температура — temperature
• Тиск — pressure
• Каталізатор — catalyst
• Інгібітор — inhibitor
• Площа поверхні контакту — contact surface area
• Ферменти — enzymes

ФОРМУЙМО СЛОВНИЧОК

232. Складіть двомовний словничок із ключових слів і словосполучень, виписаних вами з параграфів 12—21.

• Хімічна реакція — chemical reaction
• Реагенти — reactants
• Продукти реакції — reaction products
• Екзотермічна реакція — exothermic reaction
• Ендотермічна реакція — endothermic reaction
• Закон збереження маси — law of conservation of mass
• Окиснення — oxidation
• Відновлення — reduction
• Оборотна реакція — reversible reaction

ОЦІНЮЙМО СВОЇ ЗНАННЯ

233. Створіть у зошиті таблицю оцінювання ваших знань і заповніть її.

234. Виконайте розміщені за QR-кодом або покликанням завдання за матеріалом параграфів 12—21.

Інтерактивні вправи допомагають закріпити знання про залежність швидкості реакції від різних чинників. Особливо корисним є зіставлення побутових процесів (скисання молока, горіння газу, іржавіння) з умовами, що їх прискорюють або уповільнюють.